Ağır Metallerin İnsan Sağlığına Etkileri ve Biyolojik Temelli Ortamdan Uzaklaştırılma Yöntemleri
Ebrar Güneş, İstanbul Teknik Üniversitesi, MBG
Ağır metallerin farklı tanımlamaları olmasına rağmen sayısal olarak ifade edilirse, molekül ağırlığı 63,5-200,6 g/mol arasında ve yoğunluğu 5 g/cm3’den fazla olan metaller ağır metal sınıfına girerler. [1] Ağır metallerin çoğu canlı organizmalar için zararlı olsa da bazı ağır metaller calılarda düşük miktarda bulunmalıdır. Yine de gerektiğinden fazlası ciddi sağlık sorunlarına yol açmaktadır. [2] Canlılar için toksik etkiye sebep olan başlıca ağır metaller: Kadmiyum, Nikel, Kurşun, Çinko, Krom, Cıva, Arsenik, Gümüş, Baryum, Selenyum ve Bakır’dır. [3] Çevrede ağır metal birikimi 2 ana sebepten ötürü meydana gelir, bunlar doğal sebepler ve beşeri sebeplerdir. Ağır metallerin doğal olarak birikimi, minerallerin ayrışması, erozyon, volkanik faaliyetler ve orman yargınları gibi birçok faktöre bağlıdır. Ağır metallerin birikimine sebep olan insan faaliyetleri ise kentleşme, teknolojik gelişmeler, güvenli olmayan tarımsal uygulamalar ve çevreyi bozan hızlı sanayileşme gibi sebeplerdir. [4]
Ağır metallerin çevreyi kirletmesinden başlıca etkilenen canlılar bitkilerdir. Solunum, fotosentez ve hücre bölünmesi süreçleri laboratuvar deneyleri ile belgelendiği üzere yüksek ağır metal seviyelerinden olumsuz etkilenir. Ağır metaller bitkilerin topraktan mineral alınımını azaltır, fotosentetik enzimlerin verimini etkiler ve oksidatif strese de sebep olurlar böylece bitkilerin hücre yapılarına zarar verir ve bitkinin büyümesini engellerler. [5] İnsanlar içtikleri sudan, soludukları havadan ağır metallere maruz kalırlar fakat vucütlarındaki kimyasal kirlenmenin %90’ı beslenme kaynaklıdır. [6] Yüksek ağır metal birikimine sahip bitki ve hayvanlarla beslenmenin kanser, Alzheimer, damar sertliği, Parkinson gibi hastalıkları sebep olduğu kanıtlanmıştır. [7] Bu hastalıklar hariç ağır metallerin daha birçok hastalığa sebep olduğu bilinmektedir.
Tablo 1: Ağır Metallerin İnsan Sağlığına Etkileri [4]
Böylesine ekosisteme zararlı, canlı yaşamına tehdit oluşturan bir kirleticinin ortamdan uzaklaştırılması için kullanılan birçok teknik vardır. Ağır metal yıkımı için kimyasal çökeltme, elektrodiyaliz, yüzdürme, iyon değişimi, nanofiltrasyon, ters ozmoz, ultrafiltrasyon gibi yöntemler kullanılır [4]. Bu tedavi rejimleri yararlı olsa dahi yüksek enerji ve kimyasal tepken gereksinimlerinden ötürü oldukça maaliyetlidirler. Bunların dışında ağır metalleri belirli oranlarda ortamdan uzaklaştırabilme, tehlikesiz formlara dönüştürebilme yeteneğine sahip doğal ve genetiği değiştirilerek tasarlanmış mikroorganizmalar da kullanılır. Ağır metalle kirlenmiş ortamlarda hayatta kalabilmek için, birçok mikroorganizma toksik metal iyonlarına karşı direnç yolları geliştirmiştir ve bu mikroorganizmaların direnç için spesifik genlere sahip olduğu bilinmektedir. [4] Ortamda organik ve inorganik kirleticilerin mikroorganizmalar tarafından dönüşüm veya uzaklaştırma işlemine biyoremediasyon denir. [8] Bu teknik mevcut ağır metal temizleme tekniklerine göre daha uygun maaliyetlidir. Örneğin yapılan bir çalışmada Kurşun ile kirlenmiş bir dönüm toprağın biyoremediasyon kullanılarak temizlendiğinde geleneksel yöntemlerin kullanımına kıyasla %50-65 maaliyet tasarrufu kaydedilmiştir. [9] Biyoremediasyon yönteminde bakteriler, mantarlar ve algler kullanılırlar. Bozunma için bitkilerin kullanılması ise bitki ıslahıdır. Bakteriler, mikroorganizmaların en bol ve çok yönlü olanıdır. Yaklaşık olarak 1018 g bakteri tüm karasal biyokütlenin önemli bir bölümünü oluşturur. [10] Bakteriler, küçük boyutları, yaygınlıkları, kontrollü koşullar altında büyüme yetenekleri ve çok çeşitli çevresel durumlara karşı dirençleri nedeniyle temizleyici olarak kullanılırlar. Bakteriler gibi mantarlarda biyoremediasyon için uygun canlılardır hatta bazı mantarların bazı bakteri türlerine göre ağır metallere karşı daha toleranslı oldukları kaydedilmiştir çünkü mantar türlerinin bazıları tipik olarak ağır metal zengini alanla ilişkili oldukları ve o alanda hiper akümülatör oldukları kabul edilmiştir. [11] Mantarların biyoremediasyon çalışmalarındaki verimlerinin ana sebebi hücre duvarlarının metal bağlayıcı fonksiyonel gruplar içermesindendir.[12] Bakteriler ve mantarlar gibi algler de ağır metallerin ortamdan uzaklaştırılması için muazzam kapasiteye sahiplerdir. Metal iyonları sadece birkaç dakika içerisinde hücre yüzeyine alınır, bu işleme fiziksel adsorpsiyon denir. Daha sonra bu iyonlar, kemisorpsiyon adı verilen kimyasal süreçle yavaşça sitoplazmaya alınır ve orada bozunuma uğratılır. [13] Son yıllarda ağır metallerin bozunumu çalışmalarında alglerin kullanımı artmıştır. Bitkilerin de ağır metal kirleticileri ve başka birçok kirleticiyi ortamdan uzaklaştırmak için kullandıkları kompleks ve etkili yöntemleri vardır. [5] Doğal organizmaların dışında çevreyi temizlemek için genetiği değiştirilmiş organizma çalışmaları da oldukça fazladır. Genetik olarak tasarlanmış organizma çalışmalarına ihtiyaç duyulmasının ana sebebi, bu canlılar doğal canlıların yapamayacakları veya yüksek verim sağlayamayacakları reaksiyonları yapabilirler. Örneğin doğal bakteriler cıva gibi bazı ağır metalleri ortamdan uzaklaştıramazlar fakat cıva ile kirlenmiş topraklarda Eschericia coli M109 ve Pseudomonas putida suşları cıvayı ortamdan etkili bir şekilde uzaklaştıracak şekilde tasarlanmış ve verimli sonuçlar elde edilmiştir. [14]
Tablo 2: Biyoremediasyon potansiyeline sahip mikroorganizmalar ve temizledikleri ağır metaller [15]
Sonuç olarak ağır metallerle kirlenmiş hava, toprak ve su kaynakları canlıların yaşamını olumsuz etkilemekte ve sayısız sağlık problemine sebep olmaktadır. Bu kirleticilerin ortamdan ayrıştırılması için insan yapımı fiziksel ve kimyasal yöntemlerin kullanılmasının yanı sıra ortamdaki canlılar da bozunum için verim sağlamaktadırlar. Doğal canlıların aksine verimi artırmak için genetiği tasarlanmış organizma temelli tedavi yöntemlerindeki araştırmalar da günden güne artmaktadır.
Referanslar
1) Shadman, S. M., Daneshi, M., Shafiei, F., Azimimehr, M., Khorasgani, M. R., Sadeghian, M., ... Mehrgardi, M. A. (2019).Aptamer-based electrochemical biosensors. Electrochemical Biosensors, 213–251. doi:10.1016/b978-0-12-816491- 4.00008-5
2) Ojuederie, O., & Babalola, O. (2017).Microbial and Plant-Assisted Bioremediation of Heavy Metal Polluted Environments: A Review. International Journal of Environmental Research and Public Health, 14(12), 1504. doi:10.3390/ijerph14121504
3) Jaishankar, M., Tseten, T., Anbalagan, N., Mathew, B. B., & Beeregowda, K. N. (2014).Toxicity, mechanism and health effects of some heavy metals. Interdisciplinary Toxicology, 7(2), 60–72. doi:10.2478/intox-2014-0009
4) Dixit, R., Wasiullah, Malaviya, D., Pandiyan, K., Singh, U., Sahu, A., ... Paul, D. (2015). Bioremediation of Heavy Metals from Soil and Aquatic Environment: An Overview of Principles and Criteria of Fundamental Processes. Sustainability, 7(2), 2189–2212. doi:10.3390/su7022189
5) Chibuike, G. U., & Obiora, S. C. (2014). Heavy Metal Polluted Soils: Effect on Plants and Bioremediation Methods. Applied and Environmental Soil Science, 2014, 1–12. doi:10.1155/2014/752708
6) Zhao, Y. G., Wan, H. T., Law, A. Y. S., Wei, X., Huang, Y. Q., Giesy, J. P., ... Wong, C. K. C. (2011). Risk assessment for human consumption of perfluorinated compound-contaminated freshwater and marine fish from Hong Kong and Xiamen. Chemosphere, 85(2), 277–283. doi:10.1016/j.chemosphere.2011.06.002
7) Verma, R., & Dwivedi, P. (2013). Heavy metal water pollution- A case study. Recent Research in Science and Technology, 5(5). Retrieved from https://updatepublishing.com/journal/index.php/rrst/article/view/1075
8) Pratush, A., Kumar, A., & Hu, Z. (2018). Adverse effect of heavy metals (As, Pb, Hg, and Cr) on health and their bioremediation strategies: a review. International Microbiology. doi:10.1007/s10123-018-0012-3
9) M. J. Blaylock, D. E. Salt, S. Dushenkov et al., “Enhanced accumulation of Pb in Indian mustard by soil-applied chelating agents,” Environmental Science and Technology, vol. 31, no. 3, pp. 860–865, 1997.
10) Mann, H. 1990. Removal and recovery of heavy metals by biosorption. In Biosorption of heavy metals. Ed B. Volesky. CRC Press, Florida. pp 7-44.
11) Purvis, O.W. and C. Halls. 1996. A review of lichens in metal-enriched environment. The Lichenologist. 28 (6): 571-601. Doi: https://doi.org/10.1006/lich.1996.0052
12)Veglio, F. and F. Beolchini. 1997. Removal of metals by biosorption: A review. Hydrometallurgy. 44 (3): 301-316. Doi: https://doi.org/10.1016/S0304- 386X(96)00059-X
13)Dwivedi, S. 2012. Bioremediation of heavy metal by algae: Current and future perspective. J. Advanced Laboratory Res. Bio., 3 (3): 195-199
14) Barkay, T.; Miller, S.M.; Summers, A.O. Bacterial mercury resistance from atoms to ecosystems. FEMS Microbiol. Rev. 2003, 27, 355–384. Doi: 10.1016/S0168- 6445(03)00046-9
15) Mani, D., & Kumar, C. (2013). Biotechnological advances in bioremediation of heavy metals contaminated ecosystems: an overview with special reference to phytoremediation. International Journal of Environmental Science and Technology, 11(3), 843–872. doi:10.1007/s13762-013-0299-8